太阳能光伏发电系统设计思路.pdf

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太阳能光伏发电设计思路
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摘要:简要介绍太阳能光伏发电系统设计思路和组成光伏系统器
件选型方法,分析和研究太阳能光伏发电的热点和核心技术。
前言:当今世界,能源是促进经济发达与社会进步的原动力。目
前所使用之主要能源为化石能源,然而其蕴藏量有限,且在开发
过程造成空气污染、环境破坏,积极开发低污染及低危险性的新
能源乃为迫切需要。
太阳能发电是指太阳能光伏发电,光伏发电是利用半导光
生伏特效应将光能直接转变为电能的一种发电技术。太阳光能是
一种非常理想的干净、安全且随处可得的清洁能源,因此各国均
不断地研发各种相关技术,藉以提高系统发电效率并降低发电成
本,推广普及使用太阳能。
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第一部分太阳能电池发电系统原理
太阳能电池发电系统(又称光伏发电系统),从大类上分为
独立(离网)和并网光伏发电系统两大类。
目前应用比较广泛的光伏发电系统,主要是在偏远地区可以
作为独立的电源使用,也可以与风力发电机或柴油机等组成混合发电
系统,在城市太阳能光伏建筑集成并网发电得到了快速发展,光伏发
电与建筑一体化是太阳能光伏与建筑的完美结合,属于分布式发电的
一种。它能够减少电网用电,大大减轻公共电网的压力,就近向电网
输送电力。
(光伏离网发电系统)
太阳能光伏组件组成太阳电池方阵,在阳光充足情况下,一方面
给负载供电(直流负载,若交流负载需要逆变器),另一方面给蓄电
池组充电,晚上依靠蓄电池组放电供负载使用(如下图示意)。
阻塞二极管
控制器
太阳蓄负
电池电载
方阵池
图1-1直流负载光伏发电示意图
在方阵工作时,阻塞二极管防止向电池方阵反充电,止逆二极
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管两端有一定的电压降,;肖特基或锗管
。(一般选择压降小的)
光伏发电系统的规模依用户要求而异,按负载增加配置。

图1-2简单直流的光伏水泵系统
(交流)供电系统
图1-3直流负载的太阳能光伏系统
如果有交流负载,还需要1逆变器将直流电变为负载需要的交流
电。

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当然我们可以选用双向逆变器,在独立的光伏发电系统中以太阳
能发电为主,以普通220V交流市电为补充电能。
太阳能
双向逆变市220V(AC)
方阵
器、控制
太阳能
系统
方阵
交流负载
直流负载
蓄电池
图1-4交流及交、直流混合光伏发电系统
以上方案仅供参考。

所谓并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网
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逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后,直接接入公共电网。
考虑到太阳能光伏发电的固有特点,节约投资,省略蓄电池组
并减少充、放电转换带来的损耗,当今世界太阳能发电有80﹪是并
网发电,限于编者能力、资料来源和篇幅有限,主要介绍太阳能光伏
并网发电系统集成(其他知识请查阅相关资料)。


把分装好的光伏组件,根据用户现场不同的供电负荷的需要,
设计、配置安装太阳能光伏发电系统。
在城市将太阳能光伏发电与建筑装饰结合起来,安装在建筑物
屋顶或光伏幕墙,是光伏发电系统与建筑装饰美化联用一体化解决方
案的典范。
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第二部分太阳能光伏发电系统的容量设计
主要介绍太阳能光伏发电系统的整体配置与设计,即各种电力电
子设备、部件的配置选型和相关附属设施的设计。

光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价
比(低成本)的原则。做到既能保证光伏系统的长期可靠运行,充分
满足负载的用电需要,同时又能使系统的配置最合理、最经济,特别
是确定使用最少的太阳能电池组件功率,协调整个系统工作的最大可
靠性和系统成本之间的关系,在满足需要保证质量的前提下节省投
资,达到最好的经济效益。

1)系统用电负载的特性
由于用途不同,耗电功率、用电时间、对电源可靠性的要求等
各不相同。有的用电设备有固定的耗电规律,这些因素相当复杂,原
则上需要对每个发电系统单独进行计算,对一些无法确定数量的影响
因素,只能采用一些系数来进行估量。
2)当地太阳能辐射资源及气象地理条件
太阳照在地面太阳电池方阵上的辐射光的光谱,光强受到大气
质量、地理位置、当地气候、气象、地形等多方面因素的影响,因此
在设计太阳能光伏发电系统时,应考虑太阳辐射的方位角和倾斜角、
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峰值日照数、连续阴雨天数及最低气温、冰雹等。
(方阵)的方位角与倾斜角
最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大,而冬季和夏
季发电量差异尽可能小,一般取当地纬度或当地纬度加几度作为当地
太阳能电池组件安装的倾斜角。当然如果能够采用计算机辅助设计软
件优化设计。根据当地纬度初略确定太阳能电池的倾斜角:
纬度为0°~25°时,倾斜角等于纬度;
纬度为26°~40°时,倾斜角等于纬度加上5°~10°;
纬度为41°~55°时,倾斜角等于纬度加上10°~15°;
纬度为55°以上时,倾斜角等于纬度加上15°~20°;

太阳能电池组件的设计原则是要满足平均天气条件(太阳辐射
量)下负载每日用电量的需求,也就是说太阳能电池组件的全年发电
量要等于负载全年用电量。
1)根据各种数据直接计算出太阳能电池组件或方阵的功率,根据
计算结果选配或定制相应功率的电池组件,进而得到电池组件
的外形尺寸和安装尺寸;另一种方法是选定尺寸符合要求的电
池组件,根据该组件峰值功率、峰值工作电流和日发电量等数
据,结合各种数据进行设计计算,在计算中确定电池组件的串、
并联数及总功率。
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2)基本计算方法:
电池组件的并联数=负载日平均用电量(Ah)/组件日平均发电量(Ah)
其中,
组件日平均发电量=组件峰值工作电流(A)×峰值日照时数(h)
电池组件的串联数=系统工作电压(V)×
电压(V)
电池组件(方阵)总功率(W)=组建并联数×组件串联数×选定组
件峰值输出功率(W)
A设计时要考虑造成组件功率衰降的各种因素按10%的损耗,交流
逆变器转换效率的损失也按10%计算。
B蓄电池充电损耗5%~10%
3)实用计算公式:
电池组件的并联数=负载日平均用电量(Ah)/组件日平均发电量
(Ah)×逆变器效率系数
电池组件的串联数=系统工作电压(V)×
电压(V)
电池组件(方阵)总功率(W)=组件并联数×组件串联数×选定组
件的峰值输出功率(W)

蓄电池的任务是在太阳能辐射不足时,保证系统负载的正常用电。
蓄电池的设计主要包括蓄电池容量和串、并联组合设计。
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1)蓄电池容量=负债日平均用电量(Ah)×连续阴雨天数/最大
放电深度
平均放电率(h)=连续阴雨天数×负载工作时间/最大放电深度
负载工作时间=∑负载功率×负载工作时间/∑负载功率
2)实用蓄电池容量计算公式:
蓄电池容量=负载日平均用电量(Ah)×连续阴雨天数×放电率修正
系数/最大放电深度×低温修正系数
蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压
蓄电池并联数=蓄电池总容量/蓄电池标称容量

太阳能电池组件功率=〔用电器功率(W)×用电时间(h)/当地峰
值日照时数(h)〕×损耗系数
蓄电池容量(Ah)=〔用电器功率(W)×用电时间(h)/系统电压(V)〕×连
续阴雨天数(h)×系统安全系数
(光伏建筑一体化)发电系统容量的设计与计算
1)光伏方阵发电量的计算
年发电量(KWh)=当地年总辐射能(KWh/m2)×光伏方阵面积(m2)
×电池组件转换效率×修整系数
即:P=H×Aק×K
A-光伏建筑一体化发电光伏组件占用的屋顶、受光外墙立面有效面
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积;
§-组件转换效率,单晶硅18﹪,多晶硅组件16﹪;
修正系数K=K1×K2×K3×K4×K5
其中K1为太阳能电池长期运行性能衰降修正系数,;K2
为灰尘遮挡玻璃及温度升高造成组件功率下降修正,;K3为
线路损耗修正,;K4为逆变器效率,,也可根据
逆变器厂商提供技术参数确定;K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系
数,具体参数查表。
2)根据负载耗电量计算光伏方阵的面积
光伏组件(方阵)面积=年耗电总量/当年总辐射能×电池组件转换
效率×修正系数
A=P/Hק×K

1、)太阳能辐射能量不同单位之间的换算
1卡(cal)=(J)=1。16278毫瓦时(mWh)
1千瓦时(KWh)=(MJ)
1千瓦时/米平方(KWh/m2)=(MJ/m2)=
焦/厘米平方(KJ/cm2)
100毫瓦时/厘米平方(mWh/cm2)=(cal/cm2)
1兆焦/米平方(MJ/m2)=(cal/cm2)=/
厘米平方(mWh/cm2)
2、)太阳能辐射能量与峰值日照时数之间的换算
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辐射能量换算成峰值日照系数:
,则:
年峰值日照小时数=辐射量×(换算系数)例如:
某地年水平面辐射量139千卡/厘米2(kcal/m2),电池组件倾斜面上
(kcal/cm2),则年峰值日照小时数为:
152500卡/厘米2(cal/cm2)×=1769h,峰值日照时数=1769÷
365=.
(MJ/m2)时,则:
年峰值日照小时数=辐射量÷(换算系数)例如:
(MJ/m2),电池组件倾斜面
上的辐射量为副348。82兆焦/米2(MJ/m2),则年峰值日照小时数
为:6348。82(MJ/m2)÷=,峰值日照时数=1763。56÷
365=.
(KWh/m2)时,则:
峰值日照小时数=辐射量÷365例如:
(KWh/m2),电池组件倾
(KWh/m2),则峰值日照小时数
为:(KWh/m2)÷365=
(KJ/cm2)时,则:
年峰值日照小时数=辐射量÷(换算系数)例如:
(KJ/cm2),电池组件倾斜
(KJ/cm2),则年峰值日照小时数
.:.
.
为:(KJ/cm2)÷=,峰值日照时数=÷
365=
第三部分太阳能光伏发电系统的整体配置与相关设计
详细叙述太阳能光伏发电系统设计的原则、步骤和内容,以及光
伏发电系统设计应考虑的整体配置和选型设计要求和设计规范,主要
包括光伏组件、光伏控制器、交流逆变器、组件支架及固定方式确定
与基础设计、直流汇流箱、所用电缆、交流配电系统、监控和测量系
统等。
太阳能发电系统的配置构成:
支架基选型设计综合配选型设计编
础设计电程组态
光伏方阵直流接线箱控制、逆变交流配电、并网控制监控测量系统
蓄电池防雷接地、防静电系统
选型选型设
计

决定光伏发电系统配置和连接方式,每一组光伏电池组件的电
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流和电压太阳电池进行适当的串、并联,组成相应电压等级的光伏发
电系统;由于太阳的方位角和高度角每日每时都在作周期性的变化。
一个完善的太阳电池发电系统需要考虑很多因素,进行各种设
计,如电气性能设计、热力设计、静电屏蔽设计、机械结构设计等等,
最主要的是根据使用要求,决定太阳电池方阵和蓄电池规模,以满足
正常工作的需求;光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电
需要的前提下,确定最少的太阳电池组件,以尽量减少投资,即同时
考虑可靠性及经济性。

:。
:由于转换效率受到电池本身的
温度和太阳光强、蓄电池电压浮动等因素的影响,因而方阵的输
出功率也随着这些因素的改变而出现一些波动。
发电系统的设计步骤
1)列出基本数据
所有负载的名称、额定工作电压、耗电功率、用电时间、有无
特殊要求等。
当地的地理位置:包括地名、经度、纬度、海拔等。
当地的气象资料:主要有逐月平均太阳总辐射量,直接辐射及
散射量,年平均气温及极端气温,最长连续阴雨天数、最大风速及冰
雹等特殊气候情况。这些气象数据需取积累几年或几十年的平均值。
只要根据算出的太阳电池方阵的电压及功率,参照生产厂家提
.:.
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供的太阳电池组件的性能参数,选取合适的型号即可,根据安装面积
和规格尺寸排列组合安装光伏组件阵列。
ElectricalspecificationsofSST230-60PPolycrystallinesolarmodule
TypeSST230-60P
Electricaltypicaldata
Pmpp[Wp]230
Voc[V]
Isc[A]
Vmpp[V]
Impp[A]
%
Maximumsystemvoitag[V]1000
Voltagetemperaturecoefficients-%/K
Currenttemperaturecoefficients+%/K
Powertemperaturecoefficients-%/K
Seriesfuserating[A]15
Cells6×10piecespolycrystallinesolarcellsseriesstrings(156mm×156mm)
Junctionboxwith6bypassdiodes
Cablelength900mm,1×4mm2
FrontglassWhitetoughenedsafetyglass,
CellencapsulationEVA(Ethylene-Vinyl-Acetate)
Backcompositefilm
FrameAnodisedaluminiumprofile
Dimensions1640×990×50mm(L×W×H)
Maximumsurfaceloadcapacitytestedupto2,400PaaccordingtoIEC61215
Hailmaximumdiameterof25mmwithimpactspeedof23m·s-1
Temperaturerange–40°Cto+85°C
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2)根据客户要求和系统规模合理设计配电系统;
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